Moskva, Russian Federation
UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.06.01 Сельское хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC LAW102000 Agricultural
The degradation of agricultural land under changing climatic conditions currently represents one of the most important socio-economic problems, which poses a threat to the environmental, economic and national security of Russia in general. The article deals with issues related to the use of mobile drip irrigation systems under changing climatic conditions in the Non-Chernozem zone. According to the research results, it was found that uneven precipitation, the amount for a decade mainly varies from 0 to 28 mm, in some places up to 32-51 mm, leads to atmospheric drought of medium and at the same time, the decrease in the yield of agricultural crops in dry years reaches 40% or more. The coefficient of natural moisture during the growing season was determined on a decadal basis, starting from 1995 to 2020, which made it possible to identify the frequency of the onset of dry periods during the growing season with climate change in the direction of warming. In all years (25 years) during the growing season, dry periods of varying degrees of duration were observed with a moisture coefficient of 0.48 – 0.8, which indicates the need for irrigation in the Non-Chernozem zone of the Russian Federation.Irrigation during dry periods of vegetation is advisable to carry out mobile systems that make up for the lack of moisture in the soil and can be moved from one crop rotation site to another. The developed drip irrigation technology allows you to quickly, within 1 day, assemble, move, install and put into operation the drip irrigation system module for row crops
Irrigation, drip irrigation system module, dry periods, natural moisture coefficient, mobile irrigation systems, yield reduction, climate change
1.Введение.
Деградация сельскохозяйственных земель при изменении климатических условий в настоящее время представляет одну из важнейших социально-экономических проблем, которая создает угрозу экологической, экономической и в целом национальной безопасности России.
Мелиорация является наиболее интенсивным антропогенным фактором воздействия на природную среду, направленным на повышение эффективности использования компонентов биосферы и природных ресурсов. Вместе с тем, мелиоративные преобразования отдельных территорий ландшафта могут существенно и надолго обеспечить повышение продуктивности фитоценозов, стимулировать почвообразовательные процессы, создать необходимые условия для производства сельскохозяйственной продукции и благоприятные условия для жизнедеятельности природных экосистем.
Регулируя гидротермический режим почвы, мы позволяем населяющим ее организмам сохранять свою жизнедеятельность при определенных значениях температуры и влажности. Существенным резервом нормированного использования влаги являются правильный выбор и рациональное применение различных способов полива сельскохозяйственных угодий, что особенно актуально в современных изменяющихся климатических условиях.
Прошедшее лето 2022 года стало самым жарким в Европе за период наблюдений за погодой (минимум за 500 лет) сообщила Европейская служба по изменению климата Copernicus. Средняя температура за сезон по региону на 0,4 градуса выше, чем в предыдущем году.
В России, начиная с июля 2022 года, установилась жаркая и сухая погода. На всей территории Нечерноземной зоны наблюдалась погода теплее обычной, средняя за декаду температура воздуха превышала средние многолетние значения на 1–4 °С. Дожди выпадали неравномерно, их сумма за декаду в основном варьировала от 0 до 28 мм, местами повышалась до 32–51 мм. Влагозапасы в пахотном слое почвы в основном были достаточные, а местами пониженные – менее 20 мм, на отдельных полях низкие – менее 10 мм. На территории местами наблюдалась атмосферная засуха средней и сильной интенсивности. Также в южной и юго-восточной частях Нечерноземной зоны наблюдалась почвенная засуха.
Снижение урожайности сельскохозяйственных культур в засушливые годы достигает 40 % и более по сравнению с благоприятными годами по увлажнению. Смягчение отрицательных последствий роста засушливости климата и улучшение водного режима почв Нечерноземной зоны можно осуществлять за счет передвижных систем орошения [1,2].
Цель. Обоснование необходимости применения передвижных систем капельного орошения при изменении климатических условий в Нечерноземной зоне.
Материалы и методы. Исследования проводили на стационарном полевом опыте в Подольском районе Московской области в 2020 г. Севооборот овоще- кормовой: лук репчатый, свекла, картофель, морковь. Орошение овощных культур осуществлялось передвижной системой капельного орошения. Передвижная система капельного орошения эксплуатировалась вдоль открытого канала. Длина участка около 1000 м, ширина 700 м.
В 2020 году основные возделываемые овощные культуры – репчатый лук, картофель.
Комплект капельного орошения применялся на мелкоконтурном участке площадью 3,75 га, состоящий из четырех последовательно поливаемых участков (модулей) площадью 0,94 га на посевах репчатого лука.
Результаты и их обсуждение.
Для оценки влагообеспеченности вегетационного периода по агроклиматическим характеристикам и влажностных условий ведения сельского хозяйства на территории, в соответствии с РД, использовались показатели, которые представляют собой отношение количества влаги, обеспечиваемой атмосферными осадками, или запасов продуктивной влаги, сформированных в корневых горизонтах почвы (поступление), к ее потреблению (испарению) за период времени.
В качестве одного из таких показателей использовался коэффициент (ГТК) Селянинова [3], который характеризует атмосферные засухи за многолетний период на территориях:
ГТК =∑ R/0,1∑T
где: ΣR - сумма осадков за период с температурой выше 10°С (обычно июнь- август);
∑ t - сумма температур выше 10°С за тот же период.
Градации ГТК Селянинова за период июнь- август: 1. Избыточно влажная зона- более 1,6; 2. Влажная зона - 1.6…1,3; 3. Недостаточно влажная зона - 1,3…1; 4. Засушливая зона- 1…0,7; 5. Очень засушливая зона - 0,7…0,4; 6. Полупустынная зона -0,4…0,3; 7. Пустынная зона -0,4…0,3 [3,4].
В таблице 1 приведены изменения сумм активных температур выше 10 °С (в среднем по субъектам) 1966‒2015 гг.
Вероятность (%) сильных засух (ГТК ≤ 0,60) в августе и сентябре представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Риски сильных атмосферных засух (ГТК ≤ 0,60) за период 1966‒2015 гг.
|
Субъект |
Вероятность, % |
|
|
август |
Сентябрь |
|
|
Нечерноземная зона |
||
|
Брянская |
30 |
16 |
|
Владимирская |
22 |
6 |
|
Ивановская |
16 |
10 |
|
Калужская |
24 |
8 |
|
Костромская |
8 |
4 |
|
Московская |
12 |
4 |
|
Орловская |
30 |
10 |
|
Рязанская |
20 |
16 |
|
Смоленская |
12 |
8 |
|
Тверская |
6 |
2 |
|
Ярославская |
10 |
2 |
Потребность во влаге сельскохозяйственных культур для формирования урожая в Нечерноземной зоне составляет от 440 до 560 мм за сезон, что может быть обеспечено только дополнительным увлажнением. Количество атмосферных осадков в этот период чаще всего значительно меньше и составляет с мая по сентябрь от 223 до 452 мм [2].
При нарастании сухости климата в почвах усиливается проявление таких негативных свойств, как карбонатность, малогумусность, усложняется структура почвенного покрова за счет развития комплексности [5]. Дефицит атмосферных осадков ограничивает усвоение почвой вносимых удобрений, так как при недостатке влаги в почве применяемые удобрения плохо или совсем не растворяются.
Продолжительность засух колеблется в зависимости от зоны от нескольких дней до 3-4 месяцев (лесная зона – средняя за год – 15 дней, наибольшая за сезон – 38-52 дня)[5].
Как показали наши исследования влага расходуется преимущественно из верхних горизонтов почвы, что согласуется с многочисленными по литературными данными. Это объясняется тем, что в верхних горизонтах почвы находится основная масса корней растений и интенсивность влагообмена в них, при наличии доступных влагозапасов, всегда выше, чем в нижних. Кроме того, верхние слои почвы подвержены наиболее сильному воздействию внешних факторов (температуры, влажности воздуха, скорости ветра, уровня радиации), оказывающих непосредственное влияние на процесс физического испарения влаги из почвы [1].
Исследования, проведенные в Московской области, показали, что в период вегетации почвенная влага под действием нарастающих температур и транспирации растительного покрова расходуется до 3-4 мм в сутки.
Еще чаще условия недостаточного увлажнения возникают в отдельные месяцы вегетационного периода: в мае – 64%, в июне – 46%, в июле – 25%, в августе – 47%.
Для Нечерноземной зоны коэффициент естественного увлажнения в виде отношения осадков к суммарному испарению, в целом за год составляет 1, за вегетационный период в среднем от 0,7 до 1 (май – сентябрь). В отдельные месяцы вегетации он снижается до 0,5…0,6.
α = 
, (1)
Ос – сумма осадков за месяц, мм;
Е – суммарное испарение за месяц, мм.
Коэффициент естественного увлажнения был нами определен за вегетационный период подекадно, начиная с 1995 по 2020 год, что позволило выявить периодичность наступления засушливых периодов за вегетацию при изменении климата в сторону потепления. [1,7]
Анализ полученных результатов показывает, что во все годы (25 лет) в вегетацию наблюдались засушливые периоды разной степени продолжительности и интенсивности.
В таблице 2 и на рисунке 2 приведены средние значения коэффициента увлажненности территории и количество декад с коэффициентом 0- 0,8, когда естественное увлажнение очень незначительно или отсутствует совсем.
Таблица 2. Средние значения коэффициента увлажненности территории и количество декад с коэффициентом 0- 0,8
№ |
Годы |
Коэффициент увлажнения |
Количество декад с коэффициентом 0 – 0,8 |
|
1 |
1995 |
0,59 |
9 |
|
2 |
1996 |
1,02 |
8 |
|
3 |
1997 |
0,8 |
11 |
|
4 |
1998 |
1,58 |
6 |
|
5 |
1999 |
0,72 |
12 |
|
6 |
2000 |
1,3 |
8 |
|
7 |
2001 |
0,99 |
10 |
|
8 |
2002 |
0,48 |
13 |
|
9 |
2003 |
1,54 |
7 |
|
10 |
2004 |
1,3 |
7 |
|
11 |
2005 |
0,72 |
10 |
|
12 |
2006 |
0,9 |
10 |
|
13 |
2007 |
0,52 |
12
|
|
14 |
2008 |
1,27 |
7 |
|
15 |
2009 |
0,97 |
7 |
|
16 |
2010 |
0,7 |
10 |
|
17 |
2011 |
0,67 |
11 |
|
18 |
2012 |
0,92 |
7 |
|
19 |
2013 |
2,65 |
8 |
|
20 |
2014 |
0,65 |
10 |
|
21 |
2015 |
1,34 |
8 |
|
22 |
2016 |
1,15 |
5 |
|
23 |
2017 |
1,05 |
6 |
|
24 |
2018 |
0,65 |
12 |
|
25 |
2019 |
0,69 |
10 |
|
26 |
2020 |
1,82 |
6 |
Рис.2. Средние значения коэффициента увлажненности территории и количество декад с коэффициентом 0- 0,8.
Анализируя полученные результаты приходим к выводу, что даже в годы с коэффициентом увлажнения ≥ 1, в вегетацию наблюдаются периоды с низким коэффициентом увлажнения территории, что говорит об необходимости орошения.
Осадки представляют только одну, хотя и очень важную часть условий роста растений в вегетационный период. Поскольку во все без исключения годы урожай сельскохозяйственных культур формируется за счет осадков, выпавших в основные фазы их развития, то для предотвращения отрицательного воздействия засушливых периодов на рост и развитие культур, для получения гарантированных урожаев применяется орошение [6,7, 11,12]
Орошение в засушливые периоды вегетации удобнее осуществлять передвижными системами, которые восполняют дефицит влаги в почве и могут быть перемещены с одного участка севооборота на другой [6,7,2,11].
Передвижные дождевальные системы состоят из передвижной насосной станции, сборно–разборных трубопроводов и дождевальных машин барабанного типа. Такое устройство оросительной сети позволяет производить орошение на тех полях, где оно необходимо в данный момент времени. Дождевание требует больших объемов воды на полив, что не всегда возможно в засушливые периоды.
Капельное орошение имеет ряд преимуществ, по сравнению с дождеванием, и стало широко применяться для орошения различных групп культур. Прежде всего, это меньшие объемы воды на орошение, что важно, при дефиците воды в засушливый период, и обмелении источников орошения [13,14].
Раскладка и сбор капельной линии занимает меньше времени, что ведет к уменьшению трудозатрат на производство полива, возможность орошения нескольких участков.
Нами предложена передвижная система капельного орошения [8].
Рисунок. 3. Общий вид устройства капельного орошения на территории опытного участка в границах 1, разделенных на последовательно поливаемые участки 2. Состоит из полиэтиленовых труб, магистрального напорного трубопровода 3 с входным краном 4, сетчатого фильтра 5, с подсоединенным к нему, через шарнирно установленный уголок 6, распределительного трубопровода 7 с поворотным уголком 8 и подсоединяемым к нему переносного участкового трубопровода 9, выполненного из мягкого плоскосворачиваемого ПВХ-шланга 10 с быстроразъемными соединениями 11, заглушкой 12 и установленных на звеньях 10 водовыпусков 13 с патрубками 14 с быстроразъемными соединениями 15, для подсоединения поливных трубопроводов капельного орошения 16 с заглушками 17.
Передвижная система капельного орошения эксплуатировалась вдоль открытого канала. Длина участка около 1000 м, ширина 700 м. В 2020 году основные возделываемые овощные культуры – репчатый лук, картофель.
Комплект капельного орошения применялся на мелкоконтурном участке площадью 3,75 га, состоящий из четырех последовательно поливаемых участков (модулей) площадью 0,94 га на посевах репчатого лука.
Разработанная технология позволяет оперативно, в течение 1 суток, осуществить сборку, перемещение, установку и ввод в эксплуатацию модуля системы капельного полива. Это достигается тем, что все трубопроводы капельного орошения, а именно, магистральный, распределительный, участковый выполнены передвижными, разборными, снабжены быстроразъемными подсоединениями друг к другу с любого торца, состоящими из звеньев труб равной длины и диаметра, оснащенных водовыпусками с патрубками и быстроразъемными соединениями с поливными трубопроводами. Предусмотрена возможностью их укладки поочередно с двух сторон.
Перемещение капельных линий с одного участка на другой должно осуществляться с помощью бестраншейного трубоукладчика линий поливных трубопроводов. Количество бухт капельных линий на укладчике может быть различным (4-12 шт.) и определяется агротехническими особенностями (расстояние междурядий, количеств растений в ряду) и режимом орошения культуры [8].
Все компоненты системы капельного орошения производятся в России, что не маловажно при импортозамещении.
Исследования проводились на опытном участке с посевом лука. Так как основная масса корней лука в период наибольшего роста размещается в пределах пахотного слоя, поэтому оптимальные условия для роста и развития растений нужно создавать в 20-30-сантиметровом слое почвы. В Нечерноземной зоне эти культуры поливают небольшими нормами (200 м3 /га) с интервалом 20-25 дней. В сухую и теплую погоду межполивной период сокращается до 12-15 дней. Репчатый лук во влажной и избыточно-влажной зонах поливают 1-3 раза. [9]
Так как при капельном орошении увлажняется не вся площадь поля, а только зона действия корневой системы, то норму полива при капельном орошении можно уменьшить в 1,5-2 раза по сравнению с дождеванием.
Норма орошения дождеванием при обеспеченности 75% в Московской области для овощных культур составляет 950 м3/га c учетом потерь воды (коэффициент потерь воды на поле 1,17) оросительная норма возрастает до 1100 м3/га. [10].
Для условий Московской области оросительная норма при капельном орошении 550-600 м3/га, что составляет половину от оросительной нормы при дождевании. Уменьшение поливной нормы в 2 раза является немаловажным фактором при дефиците осадков в засушливые периоды вегетации и заборе воды на орошение из открытых водоисточников.
Выводы.
- По результатам исследований установлено, что неравномерное выпадение осадков, сумма за декаду в основном варьируется от 0 до 28 мм, местами до 32–51 мм, приводит к атмосферной засухе средней и сильной интенсивности.
- Снижение урожайности c/х культур в засушливые годы достигает 40 % и более по сравнению с благоприятными годами по увлажнению.
- Был определен коэффициент естественного увлажнения за вегетационный период подекадно, начиная с 1995 по 2020 год, который позволил выявить периодичность наступления засушливых периодов за вегетацию при изменении климата в сторону потепления. Анализ полученных результатов показывает, что во все годы (25 лет) в вегетацию наблюдались засушливые периоды разной степени продолжительности с коэффициентом увлажнения 0,48 – 0,8, что говорит о необходимости применения орошения в Нечернозёмной зоне РФ.
- Орошение в засушливые периоды вегетации целесообразно осуществлять передвижными системами, которые восполняют дефицит влаги в почве и могут быть перемещены с одного участка севооборота на другой.
- Разработанная технология капельного орошения позволяет оперативно, в течение 1 суток, осуществить сборку, перемещение, установку и ввод в эксплуатацию модуля системы капельного полива
1. Dubenok, N. N. Obosnovanie neobhodimosti strahovogo orosheniya sel'skohozyaystvennyh kul'tur v Nechernozemnoy zone RF / N. N. Dubenok, M. V. Klimahina // Dostizheniya nauki i tehniki APK. - 2010. - № 4. - S. 46-47. - EDN MSRIZT.
2. Ol'garenko, G. V. Osnovnye napravleniya razrabotki otechestvennyh tehnicheskih sredstv mikroorosheniya dlya melkokonturnyh uchastkov / G. V. Ol'garenko // Dostizheniya nauki i tehniki APK. - 2016. - T. 30, № 5. - S. 82-85. - EDN VZYEWN.
3. Selyaninov G.T. Metodika sel'skohozyaystvennoy harakteristiki klimata. L: Gidrometeoizdat, 1937. S.5-27.
4. Kostyakov A.N. Osnovy melioracii. M.: Sel'hozgiz, 1960. - 622 s
5. Panov N.P., Mamontov V.G. Pochvennye processy v oroshaemyh chernozemah i kashtanovyh pochvah i puti predotvrascheniya ih degradacii.- M.: Rossel'hozakademiya, 2001. - 253 s.
6. Ol'garenko, G. V. Tehnologicheskoe oborudovanie dlya orosheniya mepkokonturnyh uchastkov sel'skohozyaystvennyh predpriyatiy, fermerskih i lichnyh podsobnyh hozyaystv / G. V. Ol'garenko // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo oblastnogo social'no-gumanitarnogo instituta. - 2011. - № 1(11). - S. 104-106. - EDN FRJXFE.
7. Zhatkanbaeva, A. O. Ocenka effektivnosti ispol'zovaniya orositel'noy vody pri mobil'noy sisteme kapel'nogo orosheniya / A. O. Zhatkanbaeva, A. T. Kozykeeva, Zh. S. Mustafaev // Melioraciya i vodnoe hozyaystvo : Materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii (Shumakovskie chteniya) s mezhdunarodnym uchastiem, Novocherkassk, 06-23 noyabrya 2018 goda. Tom Vypusk 16 Chast' 1. - Novocherkassk: OOO "Lik", 2018. - S. 17-22. - EDN YUCHGX.
8. Otchet o vypolnenii NIR «Provedenie issledovaniy, razrabotka tehnologiy i podgotovka tehnicheskih predlozheniy na moduli peredvizhnoy sistemy kapel'nogo orosheniya sel'skohozyaystvennyh kul'tur ryadkovogo seva» № gosregistracii AAAA-A20-120062390069-8, 2020.
9. GOST R 58331.3- 2019 «Sistemy i sooruzheniya meliorativnye. Vodopotrebnost' dlya orosheniya sel'skohozyaystvennyh kul'tur. Obschie trebovaniya»- Vved. 2019-03-15. - M.: Standartinform, 2019. - 25 s.
10. Rezhim orosheniya, sposoby i tehnika poliva ovoschnyh i bahchevyh kul'tur v razlichnyh zonah RF. Rukovodstvo. - M.: Rossel'hozakademiya, 2010- 82 s.
11. Mobile power supply for drip irrigation systems / A. Rajabov, A. Bokiev, N. Nuralieva, S. Sultonov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Kari Niyozov street, 39-house, Tashkent City, 23-25 aprelya 2020 goda. - Kari Niyozov street, 39-house, Tashkent City, 2020. - P. 012109. - DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/883/1/012109. - EDN UQROTU. (ssylka https://www.elibrary.ru/item.asp?id=45274557)
12. Mode of rice drip irrigation / I. P. Kruzhilin, M. A. Ganiev, V. V. Melikhov [et al.] // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2017. - Vol. 12, No. 24. - P. 7118-7123. - EDN XXNHRJ (ssylka https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35501971)
13. Institutional and management implications of drip irrigation introduction in collective irrigation systems in Spain / M. Ortega-Reig, C. Sanchis-Ibor, M. García-Mollá [et al.] // Agricultural Water Management. - 2017. - Vol. 187. - P. 164-172. - DOIhttps://doi.org/10.1016/j.agwat.2017.03.009. - EDN YZZHHL (ssylka https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29702175)
14. Simulation of drip irrigation on slope lands / V. Alekseev, S. I. Chuchkalov, V. Philippov [et al.] // Bio web of conferences : International Scientific-Practical Conference “Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources” (FIES 2019), Kazan, 13-14 noyabrya 2019 goda. - EDP Sciences: EDP Sciences, 2020. - P. 00218. - DOIhttps://doi.org/10.1051/bioconf/20201700218. - EDN JIHCJF (ssylka https://www.elibrary.ru/item.aspid=44744168)
